시공간 베이지안 계층 모형을 이용한 고용허가제(E-9) 외국인 근로자 패널 자료 분석

<공간정보분석 3: 시공간 데이터사이언스> 프로젝트 결과 발표

지리학과, 2020-17530, 곽지호

2025-12-10

1. 연구 배경 및 목적

연구 배경

  • E-9(비전문취업) 비자

    • 국내 외국인 체류자격 중 가장 높은 비중 차지 (약 33만 명)

    • i.e. “고용허가제”: 비숙련, 저임금 노동자의 수급이 어려운 중소 사업장을 대상으로 함

    • 세부자격: 제조업(E9-1), 건설업(E9-2), 농업(E9-3), …

  • 인구 감소 및 고령화 위기 → 단순 노동 분야 외국인력 수급의 중요성 ↑

    • 공간적 문제: 인구구조 변동에 따른 지역 격차의 다층성

      • 비수도권과 수도권 간 인력난 격차

      • 지역특화형 비자 등 지역별 정책 시행 기조

연구 배경

  • 문제 상황:

    • 지자체별 특성에 맞는 등록외국인 관리 전략 마련 필요

    • 시군구 단위의 실증적 데이터와 분석이 부족

연구 목적

  • 시군구별 E-9 비자 등록인원 (stock) 변동 요인 규명
    • 2013~2025년 시공간-패널 자료를 이용한 시공간 분석
    • 시공간 베이지안 계층 모형의 활용

핵심 연구 질문 (RQ)

  1. 시공간 베이지안 계층 모형의 설명력은 어느 정도인가?
  2. 어떤 지역별/산업별 요인이 (세부자격별) E-9 비자 등록인원 분포에 유의한 영향을 미치는가?
    • (인구) 성비(남초)가 높을수록, 고령층 비율이 높을수록, 인구 유출이 높을수록 E-9 발생률이 높을 것이다.

    • (거시경제) 경기 상황을 나타내는 무역수지 등과 E-9 발생률 간에는 관계가 적을 것이다.

    • (산업) 제조업 비중이 높은 시군구일수록 E-9 발생률이 높을 것이다.

    • (지역) 비수도권에 비해 수도권 지역의 E-9 발생률이 높을 것이다.

  3. (인구 구조의 역동성에 따라 향후 E-9 비자 등록인원 공간 분포는 어떻게 변화하는가?)

2. 데이터 구축

분석 기간 및 대상

  • 기간: 2013년 1분기 ~ 2025년 2분기 (총 13개년, 50개 분기)
  • 공간: 전국 228개 시군구 (비자치구 통합, 세종시 제외)
    • 총 관측지: 228 × 50 = 11,400개 패널 관측지
    • 세부자격별(제조업, 건설업, 농업, 어업, 임업, …) E-9 데이터도 구득 가능
  • 출처
    • 법무부 통계월보
    • 통계청 인구동향조사, 지역별 고용조사, …
    • MDIS 직종별사업체노동력조사 등 기타 통계 자료

주요 공변량 목록

구분 변수명 시공간 해상도
인구 구조 성비, 연령층별 인구, MEI 등 시군구 × 분기
경제 수출입액, 무역수지, 경제활동인구 시군구 × 분기/반기
산업 구조 산업별 종사자 수 비중, GRDP 비중 시군구 × 반기/년
더미 수도권/비수도권, 시/군/구, 코로나19, 산업단지 유무 시군구 × 분기
기타 (시도 수준) 부족인원, 제조업생산지수 등 시도 × 분기/년

Important

주요 난점 1

  • 분석 기간 내 행정구역 변동 → (1) matching table 구성 (2) 최신 행정구역을 기준으로 병합/연결 진행

    • 명칭 변동: 당진, 여주, 포천, 인천 남구 등

    • 행정구역 통합: 청주-청원, 마산-진해-창원

  • 데이터 원천별 코드 불일치 (행정구역, 산업, …) → 코드 연계표 활용

주요 공변량 목록

구분 변수명 시공간 해상도
인구 구조 성비, 연령층별 인구, MEI 등 시군구 × 분기
경제 수출입액, 무역수지, 경제활동인구 시군구 × 분기/반기
산업 구조 산업별 종사자 수 비중, GRDP 비중 시군구 × 반기/년
더미 수도권/비수도권, 시/군/구, 코로나19, 산업단지 유무 시군구 × 분기
기타 (시도 수준) 부족인원, 제조업생산지수 등 시도 × 분기/년

Important

주요 난점 2

  • 필요한 데이터를 구득하기 어려운 경우

    • 시도-수준 혹은 연-수준으로만 구득 가능한 경우

    • e.g. MDIS 데이터 (사업체별 부족인원 수)

  • 데이터에 결측치가 존재하는 경우

    • e.g. GRDP (~2022년)

3. 연구 방법론

시공간 베이지안 계층 모형 (Spatio-Temporal Bayesian Hierarchical Model)

  • (Data Level) 종속변수 \(y_{i,t}\) (E9 등록인원)가 포아송 분포를 따른다고 가정:

\[ y_{i,t} \mid \lambda_{i,t} \sim \text{Poisson}(E_{i,t}\lambda_{i,t}) \]

  • (Process Level) 로그 선형 모형:

\[ \log \lambda_{i,t} = \alpha + x_{i,t}'\beta + u_{i,t} + \eta_t \]

  • (Hyperparameter Level) Latent Spatio-Temporal Field

\[ \begin{align} u_{i,t} = \rho_u u_{i, t-1} + \epsilon_{i, t} \\ \epsilon_{i,t} \sim \text{BYM2}(W, \tau_u, \phi), \\ \eta_t \sim \text{AR(1)}(\rho_\eta, \tau_\eta) \end{align} \]

  • Priors: \(\tau_n, \phi, \tau_\eta, \rho_u, \rho_\eta\)

  • 사후분포:

\[ \pi(\mathbf{x}, {\theta} \mid \mathbf{y}) \propto \underbrace{\pi(\mathbf{y} \mid \mathbf{x}, {\theta})}_{\text{Likelihood}} \times \underbrace{\pi(\mathbf{x} \mid {\theta})}_{\text{Latent Field}} \times \underbrace{\pi({\theta})}_{\text{Hyperpriors}} \]

시공간 베이지안 계층 모형 (Spatio-Temporal Bayesian Hierarchical Model)

  • 해석 방법:

    • \(E_{i, t}\)(offset) 설정에 따른 \(\lambda_{i,t}\)(rate)해석의 차이: \(E(y_{i,t} ) = E_{i,t} \times \lambda_{i,t}\)

      • 인구 수: “지역 내 E-9 외국인 근로자가 얼마나 많은가?”

      • 전체 종사자 수: “지역 노동력 중 E-9 외국인 근로자가 차지하는 비중은 얼마인가?”

    • \(\beta\)의 해석: 승법적 효과 (Multiplicative Effect)

      • 로그 연결 함수를 이용

      • 변수 \(x\)가 1단위 증가할 때, 유입률(Rate)는 \(\exp(\beta)\)배 증가

  • 사후분포의 추정: INLA

    • Integrated Nested Laplace Approximations

      • MCMC 대비 연산 속도가 빠름 (복잡한 시공간 모형에서 널리 활용)

      • R의 INLA 패키지 이용

시공간 베이지안 계층 모형 (Spatio-Temporal Bayesian Hierarchical Model)

무엇이 “시공간적”인가?

\[ \log \lambda_{i,t} = \alpha + x_{i,t}'\beta + u_{i,t} + \eta_t \]

  • \(u_{i,t}\): 시공간 랜덤 효과 (Random Effects)
    • BYM2 공간 구조 \(\times\) AR(1) 시간 구조
    • \(u_{i,t} = \rho u_{i,t-1} + \epsilon_{i,t}\)
      • \(\epsilon_{i,t} \sim \text{BYM2}(W, \tau_u, \phi)\) (공간적 자기상관 반영)
  • \(\eta_{t(i)}\): 전역적 시간/공간 추세 (Global Trend)
  • \(x_{i,t}\beta\): 고정 효과 (Fixed Effects)
    • 인구, 경제 지표 등 설명변수
    • Spatially Varing Coefficient (SVC): \(\beta(s_i) = \beta + b_i\)

4. 탐색적 데이터 분석 (EDA)

시계열 추세

  • 2013년 이후 완만한 증가
  • 코로나19 시기(2020~2022) 일시적 감소
  • 2022년 이후 회복
  • ACF/PACF 분석 결과
    AR(1) 과정이 지배적인 패턴

공간적 분포

  • 수도권, 충남, 호남/영남 산업단지 중심으로
    E-9 외국인 근로자 고밀도 분포
  • Moran’s I 검정 결과
    • 유의한 양의 공간적 자기상관 확인

공간적 분포

  • (총인구 기준) RR 상위 5개 시군구 (202506):
    음성군, 포천시, 영암군, 완도군, 고령군

5. 모형 비교

WAIC 기반 분기별 모형 비교

시공간 상호작용을 고려한 모형의 설명력이 가장 우수함.

Model 특징 WAIC 비고
(1), (2) Temporal RW1 / AR1 12.1억 설명력 낮음
(3) Covariates 공변량 추가 8.6억 일부 개선
(4) Additive 공간 + 시간 (additive) 392만 대폭 개선
(5) Interaction 공간 × 시간 상호작용 (BYM2*AR1) 10.1만 Best Model
(6) Full Model 상호작용 + 공변량 10.1만 (5)와 유사

해석

  • 단순히 시계열 구조만 넣은 모형 (1), 공변량만 추가한 모형 (3)에 비해
  • 지역 간 인접성(BYM2)시간적 흐름(AR1)을 함께 반영한 시공간 랜덤효과 모형 (5)이 E-9 외국인 분포에 대한 설명력이 뛰어남.
  • 공변량을 추가한 모형 (6)의 설명력이 크게 개선되지는 않음. (오히려 복잡도 증가로 WAIC 증가)

6. 변수 선택

전체 고정 효과(Fixed Effects) 추정 결과

구분 변수명 Mean SD 95% CI Sig
Constant (Intercept) -7.051 1.135 [-9.274, -4.820] Yes
Demographic 성비 0.012 0.011 [-0.009, 0.034]
65세 이상 인구 비율 0.000 0.000 [0.000, 0.000]
인구 이동 유효도 지수 0.004 0.008 [-0.011, 0.019]
Economy 무역수지 -0.041 0.021 [-0.082, -0.001] Yes
전국대비 1차산업 GRDP 비중 0.044 0.037 [-0.029, 0.117]
전국대비 2차산업 GRDP 비중 0.045 0.046 [-0.045, 0.135]
Industry 제조업 종사자 비율 (Z) 0.721 0.077 [0.569, 0.872] Yes
건설업 종사자 비율 (Z) 0.011 0.026 [-0.040, 0.062]
도소매업 종사자 비율 (Z) 0.044 0.045 [-0.045, 0.132]
Labor 고용률 (15-64) (Z) -0.134 0.027 [-0.187, -0.081] Yes
Context 코로나 시기 0.422 0.216 [-0.128, 0.795]
Region 수도권 여부 0.263 0.337 [-0.400, 0.922]
시 지역 (군 대비) -0.012 0.155 [-0.318, 0.292]
구 지역 (군 대비) -2.598 0.224 [-3.037, -2.158] Yes
Infra 산업단지 유무 0.814 0.199 [0.426, 1.206] Yes
산업단지 면적 (Z) -0.038 0.065 [-0.165, 0.090]

유입 요인 (Pull Factors)

  • 제조업 비중 (ind_ratio_manufacturing_z)
    • \(\beta = 0.721\)
    • 제조업 비중이 1 표준편차(SD) 증가할 때, 외국인력 유입은 약 2.06배 증가
      (\(\exp(0.721) \approx 2.056\))
    • 해석: 지역 내 제조업 기반이 E-9 인력 수요의 절대적인 결정 요인
  • 산업단지 유무 (indpark_dummy)
    • \(\beta = 0.814\)
    • 산업단지가 있는 지역은 없는 지역 대비 약 2.26배 더 많은 외국인력이 유입됨
      (\(\exp(0.814) \approx 2.257\))
    • 단순 면적(area_mgmt)은 크게 상관이 없었음

억제 및 대체 요인 (Push & Substitution)

  • 구(Gu) 지역 더미 (dummy_gu)
    • \(\beta = -2.598\) (매우 강력한 음의 효과)
    • ~군 지역 대비, 대도시 자치구 지역의 외국인력은 약 7.4% 수준에 불과
      (\(\exp(-2.598) \approx 0.074\))
    • 해석: E-9 비자의 특성상 주거 중심의 대도시(구)보다는 농공단지/산업단지가 위치한 군 단위 지역에 집중됨
  • 내국인 고용률 (lf_employment_rate)
    • \(\beta = -0.134\)
    • 고용률이 1 SD 증가하면 외국인력은 약 12.5% 감소
      (\(\exp(-0.134) \approx 0.875\)).
    • 해석: 내국인 고용 사정이 좋은 지역일수록 비전문 외국인력에 대한 의존도가 낮음. 반대로, 내국인 고용률이 낮은 지역에서 외국인력 수요가 증가하는 대체 관계가 확인

7. 확장된 모형들

E9-1(제조업) 등록인원 발생률

구분 변수명 Mean SD 95% CI Sig
Constant (Intercept) -7.499 0.306 [-8.087, -6.909] Yes
Demographic 성비 (Z) 0.056 0.067 [-0.075, 0.187]
65세 이상 인구 (Z) -0.278 0.076 [-0.428, -0.130] Yes
인구이동지표 (Z) 0.002 0.008 [-0.013, 0.018]
Economy 무역수지 (Z) -0.047 0.020 [-0.087, -0.007] Yes
1차산업 GRDP 편차 (Z) -0.009 0.038 [-0.084, 0.065]
2차산업 GRDP 편차 (Z) 0.044 0.046 [-0.047, 0.134]
Industry 제조업 비율 (Z) 0.977 0.083 [0.813, 1.139] Yes
건설업 비율 (Z) 0.020 0.027 [-0.033, 0.072]
도소매업 비율 (Z) 0.027 0.047 [-0.065, 0.119]
Labor 고용률 (15-64) (Z) -0.150 0.027 [-0.202, -0.097] Yes
Context 코로나 시기 0.421 0.203 [-0.046, 0.798]
Region 수도권 여부 0.473 0.385 [-0.284, 1.228]
시 지역 (군 대비) 0.231 0.173 [-0.109, 0.570]
구 지역 (군 대비) -2.479 0.253 [-2.974, -1.983] Yes
Infra 산업단지 유무 1.188 0.230 [0.738, 1.642] Yes
산단 관리면적 (Z) -0.014 0.073 [-0.157, 0.131]
  • pop_65plus (\(\beta \approx -0.28\)): 고령화가 심한 지역일수록 제조업 기반이 약화되어 외국인력 수요가 낮게 나타남
  • trade_balance (\(\beta \approx -0.05\)): 무역수지가 악화될수록(적자) 비전문 외국인력 의존도가 높아지는 경향

E9-3(농업) 등록인원 발생률

구분 변수명 Mean SD 95% CI Sig
Constant (Intercept) -1.455 1.184 [-3.778, 0.869]
Demographic 성비 -0.004 0.010 [-0.024, 0.015]
65세 이상 인구 비율 0.000 0.000 [0.000, 0.000]
인구이동유효도지수 (Z) 0.015 0.006 [0.003, 0.027] Yes
Economy 무역수지 (Z) -0.026 0.019 [-0.063, 0.011]
1차산업 GRDP 편차 (Z) -0.045 0.031 [-0.106, 0.015]
2차산업 GRDP 편차 (Z) -0.064 0.043 [-0.148, 0.021]
Industry 제조업 비율 (Z) 0.330 0.082 [0.170, 0.490] Yes
건설업 비율 (Z) 0.026 0.020 [-0.014, 0.066]
도소매업 비율 (Z) 0.059 0.040 [-0.020, 0.138]
Labor 고용률 (15-64) (Z) -0.076 0.021 [-0.117, -0.035] Yes
Context 코로나 시기 0.055 0.183 [-0.294, 0.439]
Region 수도권 여부 0.326 0.691 [-1.029, 1.681]
시 지역 (군 대비) -0.407 0.308 [-1.013, 0.196]
구 지역 (군 대비) -6.328 0.451 [-7.216, -5.446] Yes
Infra 산업단지 유무 2.071 0.433 [1.227, 2.926] Yes
산단 관리면적 (Z) -0.092 0.131 [-0.349, 0.165]
  • dummy_gu (\(\beta \approx -6.3\)): 대도시 자치구 지역은 E9-3 수요가 사실상 0에 수렴

  • indpark (\(\beta \approx 2.1\)): 순수 경작지보다 농공단지가 결합된 지역에서 인력 수요 급증

SVC(Spatially Varing Coefficient)1

  • 전국대비 1차산업 비중 (기존: \(\hat\beta = 0.044\))

  • 전국적으로 영향이 미미하나, 전남 등 농업 중심 지자체에서 핵심 동인으로 작용
  • 전국대비 2차산업 비중 (기존: \(\hat\beta = 0.045\))

  • 수도권 대비 충청권, 영남권에서 2차산업 비중의 영향력이 낮음

8. 결론

고용허가제 외국인 근로자 패널 자료 분석

  1. 패널 데이터의 구조적 특성 확인
  • E-9 등록외국인 데이터는 무작위 분포가 아닌, 강한 공간적 자기상관시계열적 의존성, 둘 간의 상호작용에 의한 의존성을 내포하고 있음

  • ’독립성 가정’이 위배됨 → 시공간적 의존성을 제외한 결정 요인의 영향력 분석할 필요 있음

  1. 시공간 베이지안 계층 모형
  • 기존의 선형 회귀나 단순 패널 모형은 시공간적 상호작용을 설명하는 데 한계가 있음

  • 시공간 베이지안 모형은 고정효과와 랜덤효과를 계층적으로 분리하여 이를 효과적으로 모델링

  • SVC, 세부자격별 모형, 다른 공분산 구조 등으로 확장 가능함

\(\implies\) 시군구별 산업 특성과 인구 구조를 반영한 정밀한 지역 맞춤형 외국인력 정책 수립의 실증적 근거

추가 연구

  1. 변수 확장
    • 시군구 단위의 정밀 변수 추가
      • 순이동, 성비, 연령구조 세분화
    • 정책적/환경적 요인 추가
      • 이주민 커뮤니티, 주거 환경 등
    • 시간 지연 효과 고려: 전기(前期) 변수 이용
    • 시도 단위 변수 이용
  1. Spatial Confounding1인가?
    • RSR (Restricted Spatial Regression)
    • Spatial+ 기법 적용 검토

Q & A

감사합니다.